苯-甲苯精馏塔的设计课程设计论文.doc

《化工原理》课程设计

设计题目 苯-甲苯精馏塔的设计

学 生
指导教师 讲师
年 级
专 业
系 部

课程设计任务书
一、课题名称
苯——甲苯混合液筛板精馏塔设计
二、课题条件（原始数据）
1、设计方案的选定
原料：苯、甲苯
原料苯含量：质量分率= 45.5%
原料处理量：质量流量=20.5t/h
产品要求：苯的质量分率：xD =98%，xW=1%
2、操作条件
常压精馏，泡点进料，塔顶全凝，泡点回流，塔底间接加热。
3、设备型式：筛板塔
三、设计内容
1、设计方案的选择及流程说明
2、工艺计算（物料衡算、塔板数、工艺条件及物性数据、气液负荷等）
3、主要设备工艺尺寸设计
（1）塔径
（2）塔板（降液管、溢流堰、塔板布置等）
（3）塔高
4、流体力学验算与操作负荷性能图
5、辅助设备选型（冷凝器、再沸器、泵、管道等）
6、结果汇总表
7、设计总结
8、参考文献
9、塔的设计条件图（A2）
10、工艺流程图（A3）
四、图纸要求
1、带控制点的工艺流程图（2＃图纸）；2、精馏塔条件图（1＃图纸）。

摘要：本设计对苯—甲苯分离过程筛板精馏塔装置进行了设计，主要进行了以下工作：1、对主要生产工艺流程和方案进行了选择和确定。2、对生产的主要设备—筛板塔进行了工艺计算设计,其中包括：①精馏塔的物料衡算；②塔板数的确定；③精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算；④精馏塔的塔体工艺尺寸计算；⑤精馏塔塔板的主要工艺尺寸的计算。3、绘制了生产工艺流程图和精馏塔设计条件图。4、对设计过程中的有关问题进行了讨论和评述。本设计简明、合理，能满足初步生产工艺的需要，有一定的实践指导作用。
关键词：苯—甲苯；分离过程；精馏塔

35

目录
目录 1
1 文献综述 3
1.1概述 3
1.2方案的确定及基础数据 3
2 塔物料衡算 5
2.1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率 5
2.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量 6
2.3物料衡算 6
3 塔板数的确定 6
3.1理论板层数的求取 6
3.2求精馏塔气液相负荷 7
3.3操作线方程 8
3.4逐板计算法求理论板层数 8
3.5全塔效率估算 8
3.6求实际板数 9
4 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算 9
4.1操作压力计算 9
4.2安托尼方程计算 10
4.3平均摩尔质量计算 10
4.4平均密度计算 11
4.5液体平均表面张力计算 12
4.6液体平均粘度计算 13
4.7气液负荷计算 14
5 精馏塔塔体工艺尺寸的计算 15
塔径的计算 15
6 塔板主要工艺尺寸的计算 16
6.1溢流装置计算 16
6.2塔板布置 18
6.3筛孔数n与开孔率： 19
7 筛板的流体力学验算 19
7.1气体通过筛板压强相当的液柱高度计算（精馏段） 19
7.2气体通过筛板压强相当的液柱高度计算（提馏段） 21
8 塔板负荷性能图 22
8.1精馏段： 22
8.2提馏段： 26
9 设备设计 30
9.1塔顶全凝器的计算与选型 30
9.2再沸器 31
10 各种管尺寸确定 31
10.1进料管 31
10.2出料管 31
10.3塔顶蒸汽管 32
10.4回流管 32
10.5再沸返塔蒸汽管 32
11 塔高 32
12.设计体会 33
13.参考文献 34

分离苯-甲苯混合液的筛板精馏塔

1．文献综述
1.1概述
在常压操作的连续精馏塔内分离苯-甲苯混合液，已知原料液的处理量为20.5t/h，组成为45.5%（苯的质量分率），要求塔顶馏出液的组成为98%（苯的质量分率）塔底釜的组成为1%。
设计条件如下：
操作压力 4kpa（塔顶表压）
进料热状况 泡点进料
1.2方案的确定及基础数据
本设计任务为分离苯-甲苯混合物。对于二元混合物的分离，应采用连续精馏留成
设计中采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内。塔顶上升的蒸汽采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送至贮罐。该物系属易分离物系，最小回流比较小，故操作回流比是最小回流比的2倍，塔釜 采用间接蒸汽加热塔顶产品经冷却后送入贮罐。

表1 苯和甲苯的物理性质
项目
分子式
分子量M
沸点（℃）
临界温度tC（℃）
临界压强PC（kPa）
苯A
C6H6
78.11
80.1
288.5
6833.4
甲苯B
C6H5—CH3
92.13
110.6
318.57
4107.7

表2 苯和甲苯的饱和蒸汽压
温度
80.1
85
90
95
100
105
110.6
,kPa
101.33
116.9
135.5
155.7
179.2
204.2
240.0
，kPa
40.0
46.0
54.0
63.3
74.3
86.0
表3 常温下苯—甲苯气液平衡数据（[2]：例1—1附表2）
温度
80.1
85
90
95
100
105
110.6
液相中苯的摩尔分率
1.000
0.780
0.581
0.412
0.258
0.130
0
汽相中苯的摩尔分率
1.000
0.900
0.777
0.630
0.456
0.262
0
表4 纯组分的表面张力([1]：附录图7)
温度
80
90
100
110
120
苯，mN/m
甲苯，Mn/m
21.2
21.7
20
20.6
18.8
19.5
17.5
18.4
16.2
17.3
表5 组分的液相密度([1]：附录图8)
温度(℃)
80
90
100
110
120
苯,kg/
814
805
791
778
763
甲苯,kg/
809
801
791
780
768
表6 液体粘度µ（[1]：）
温度(℃)
80
90
100
110
120
苯（mP.s）
0.308
0.279
0.255
0.233
0.215
甲苯（mP.s）
0.311
0.286
0.264
0.254
0.228

表7常压下苯——甲苯的气液平衡数据
温度t
℃
液相中苯的摩尔分率
X
气相中苯的摩尔分率
y
110.56
0.00
0.00
109.91
1.00
2.50
108.79
3.00
7.11
107.61
5.00
11.2
105.05
10.0
20.8
102.79
15.0
29.4
100.75
20.0
37.2
98.84
25.0
44.2
97.13
30.0
50.7
95.58
35.0
56.6
94.09
40.0
61.9
92.69
45.0
66.7
91.40
50.0
71.3
90.11
55.0
75.5
80.80
60.0
79.1
87.63
65.0
82.5
86.52
70.0
85.7
85.44
75.0
88.5
84.40
80.0
91.2
83.33
85.0
93.6
82.25
90.0
95.9
81.11
95.0
98.0
80.66
97.0
98.8
80.21
99.0
99.61
80.01
100.0
100.0
2 塔物料衡算
2.1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率
苯的摩尔质量
甲苯的摩尔质量

2.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量

2.3物料衡算
原料处理量

总物料衡算
苯物料衡算
联立解得

式中 F------原料液流量
D------塔顶产品量
W------塔底产品量
3 塔板数的确定
3.1理论板层数的求取
苯-甲苯属于理想物系，采用逐板计算法求理论层数
由表10-2苯-甲苯物质在总压101.3kpa下的t-x关系

由表10-1苯-甲苯在某温度t下蒸汽压 、

理想物系

平衡线方程
泡点进料

取操作回流比
3.2求精馏塔气液相负荷

3.3操作线方程
精馏段方程为
提馏段方程为
3.4逐板计算法求理论板层数
平衡方程
精馏段方程

提馏段方程

总理论板数为 （包括再沸器）
3.5全塔效率估算
查温度组成图得到塔顶温度，塔釜温度， 全塔平均温度=95.53℃
分别查得苯甲苯的平均温度下的粘度

平均粘度公式得

全塔效率
3.6求实际板数
精馏段实际板层数

提馏段实际板层数

进料板在第12块板
4 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算
4.1操作压力计算
塔顶操作压力 P=101.325+4=105.3 kpa
每层塔板压降 △P＝0.31 kPa
进料板压力
塔底操作压力
精馏段平均压力
提馏段平均压力
4.2安托尼方程计算
依据操作压力，有泡点方程通过试差法计算出泡点温度，其中苯，甲苯的饱和蒸汽压有
计算结果如下
塔顶温度
进料板温度
塔底温度
精馏段的平均温度
提馏段的平均温度
4.3平均摩尔质量计算
塔顶平均摩尔质量就算
由 ，代入相平衡方程得

进料板平均摩尔质量计算
由上面理论板的算法，得 ，

塔底平均摩尔质量计算
由 ，由相平衡方程，得

精馏段平均摩尔质量

提馏段平均摩尔质量

4.4平均密度计算
气相平均密度计算
有理想气体状态方程计算，精馏段的平均气相密度即

提馏段的平均气相密度

液相平均密度计算
液相平均密度依下式计算，即

塔顶液相平均密度计算
由，查得

塔顶液相的质量分率已知
；得
进料板液相平均密度计算
由，查得

进料板液相的质量分率为已知

塔底液相平均密度的计算
由，查得

塔底液相的质量分率已知

精馏段液相平均密度为

提馏段液相平均密度为

4.5液体平均表面张力计算
液相平均表面张力依下式计算，即

塔顶液相平均表面张力的计算
由，查得

进料板液相平均表面张力的计算
由，查得

塔底液相平均表面张力的计算
由，查得

精馏段液相平均表面张力为

提馏段液相平均表面张力为

4.6液体平均粘度计算
液相平均粘度依下式计算，即

塔顶液相平均粘度的计算
由，查得

进料板液相平均粘度的计算
由，查得

塔底液相平均粘度计算
由，查得

精馏段液相平均粘度为

提馏段液相平均粘度为

4.7气液负荷计算
精馏段：

提馏段：

5 精馏塔塔体工艺尺寸的计算
塔径的计算
塔板间距HT的选定很重要，它与塔高、塔径、物系性质、分离效率、塔的操作弹性，以及塔的安装、检修等都有关。可参照下表所示经验关系选取。
表8 板间距与塔径关系
塔径DT，m
0.3～0.5
0.5～0.8
0.8～1.6
1.6～2.4
2.4～4.0
板间距HT，mm
200～300
250～350
300～450
350～600
400～600
对精馏段：
初选板间距，取板上液层高度
故

查史密斯关联图得；依式
校正物系表面张力为20.57mN/m时，

可取安全系数为0.7，则（安全系数0.6-0.8）
故

按标准塔径圆整为2400mm，则空塔气速0.73m/s
对提馏段：
初选板间距，取板上液层高度
故

查图得 依式
校正物系表面张力为19.19mN/m时

按标准塔径圆整为2400mm，则空塔气速0.68m/s
将精馏段和提溜段相比较可以知道二者的塔径不一致，根据塔径的选择规定，对于相差不大的二塔径取二者中较大的，因此在设计塔的时候塔径取2.4m
6 塔板主要工艺尺寸的计算
6.1溢流装置计算
6.1.1精馏段
因塔径D=2.4m，可选用单溢流弓形降液管，采用平行受液盘。对精馏段各项计算如下：
1) 溢流堰长：单溢流，取堰长
2) 出口堰高：单溢流

查图得

故

3)降液管的宽度与降液管的面积：
由,查图得
故

计算液体在降液管中停留时间以检验降液管面积，
即 （符合要求）
4)降液管底隙高度：取液体通过降液管底隙的流速
（符合）
5)受液盘
采用平行受液盘，不设进口堰，深度为50mm
6.1.2提馏段：
1) 溢流堰长：单溢流，取堰长为0.80D=0.802.4=1.92m
2) 出口堰高：单溢流

故

3)降液管的宽度与降液管的面积：
由,查图得
故

计算液体在降液管中停留时间以检验降液管面积，
即 （符合要求）
4) 降液管底隙高度：取液体通过降液管底隙的流速
（符合）
6.2塔板布置
6.2.1精馏段
一）塔板的分块
因，故塔板采用分块式。查表得，塔板分为4块。
对精馏段：
1)取边缘宽度
安定区宽度
2) 计算开孔区面积

6.3筛孔数n与开孔率：
取筛孔的孔径为5mm，正三角形排列，一般碳的板厚为3mm，取
故孔中心距
筛孔数
开孔率
每层板上的开孔面积
气体通过筛孔的气速为
7 筛板的流体力学验算
塔板的流体力学验算，目的在于验算预选的塔板参数是否能维持塔的正常操作，一边决定对有关塔的参数进行必要的调整，最后还要做出塔板负荷性能图。
7.1气体通过筛板压强相当的液柱高度计算（精馏段）
7.1.1塔板的压降：
1)干板压降相当的液柱高度：依，查《干筛孔的流量系数》图得，
由式
2)气体穿过板上液层压降相当的液柱高度：

由与关联图查得板上液层充气系数
=0.61，依式
3) 克服液体表面张力压降相当的液柱高度：
依式

则单板压降：
7.1.2液面落差
对于筛板塔，液面落差很小，且本例的塔径和液流量均不大，故可忽略液面落差的影响。
7.1.3雾沫夹带

在设计负荷下不会发生过量雾沫夹带。
7.1.4漏液
由式

筛板的稳定系数，故在设计负荷下会产生漏液。
液泛
为防止降液管液泛的发生，应是降液管中清液层高度
依式

取，则
故
根据以上塔板的各项液体力学验算，可认为精馏段塔径及各项工艺尺寸是适合的。
7.2气体通过筛板压强相当的液柱高度计算（提馏段）
7.2.1塔板的压降：
1)干板压降相当的液柱高度：依，查《干筛孔的流量系数》图得，
由式
2)气体穿过板上液层压降相当的液柱高度：

由与关联图查得板上液层充气系数=0.57，依式
3)克服液体表面张力压降相当的液柱高度：
依式

则单板压降：
7.2.2液面落差
对于筛板塔，液面落差很小，且本例的塔径和液流量均不大，故可忽略液面落差的影响。
7.2.3雾沫夹带

在设计负荷下不会发生过量雾沫夹带。
7.2.4漏液
由式

筛板的稳定系数，故在设计负荷下会产生漏液。
7.2.5液泛
为防止降液管液泛的发生，应是降液管中清液层高度
依式

取，则
故
根据以上塔板的各项液体力学验算，可认为精馏段塔径及各项工艺尺寸是适合的。
8 塔板负荷性能图
8.1精馏段：
8.1.1漏液线
由
，

表9漏液线
Ls /(m3/s)
0.00123
0.00999
0.01486
0.2325
Vs /(m3/s)
5.795
6.935
12.058
13.680
8.1.2雾沫夹带线

表10雾沫夹带线
Ls /(m3/s)
0.00123
0.00999
0.01486
0.2325
Vs /(m3/s)
7.838
6.615
6.122
5.364
8.1.3液相负荷下限线
对于平直堰，取堰上液层高度作为最小液体负荷标准
取 E=1

8.1.4液相负荷上限线
以作为液体在降液管中停留时间的下限

8.1.5液泛线
令
由

联立得
忽略，将与，与的关系代入上式

代数得

表11 液泛线
Ls /(m3/s)
0.00123
0.00999
0.01486
0.2325
Vs /(m3/s)
30.428
28.243
25.132
20.134
做出筛板负荷性能图

图1 筛板负荷性能图

8.2提馏段：
8.2.1漏液线
由
，

表9漏液线
Ls /(m3/s)
0.00164
0.0235
0.0485
0.0656
Vs /(m3/s)
4.88
6.61
7.56
8.12
8.2.2雾沫夹带线

表10雾沫夹带线
Ls /(m3/s)
0.00164
0.0235
0.0485
0.0656
Vs /(m3/s)
7.31
5.56
4.25
3.49
8.2.3液相负荷下限线
对于平直堰，取堰上液层高度作为最小液体负荷标准
取 E=1

8.2.4液相负荷上限线
以作为液体在降液管中停留时间的下限

8.2.5液泛线
令
由

联立得
忽略，将与，与的关系代入上式

代数得

表11 液泛线
Ls /(m3/s)
0.00164
0.0235
0.0485
0.0656
Vs /(m3/s)
19.56
18.47
16.13
14.11
做出筛板负荷性能图

图2筛板负荷性能图

9 设备设计
9.1塔顶全凝器的计算与选型
9.1.1全凝器的传热面积和冷却水的消耗量

冷凝蒸汽用量：
查得苯的潜热 甲苯的潜热

9.1.2对Q估算
以苯-甲苯的冷凝潜热为主计算
9.1.3水的流量

9.1.4平均温差：

9.1.5传热面积参照表

安全系数取1.2 ，换热面积
9.2再沸器
9.2.1

加热蒸汽量：

对Q估算
9.2.2考虑5%热损失

选0.3Mpa的饱和水蒸气加热，

取传热系数
估算传热面积
取安全系数0.8，实际传热面积
10 各种管尺寸确定
10.1进料管
泵输进料，

10.2出料管
釜残液的体积流量：

10.3塔顶蒸汽管

10.4回流管
强制回流

10.5再沸返塔蒸汽管

11 塔高
总塔高度=塔顶空间+塔底空间+人孔+塔高
取塔顶空间 塔底空间
人孔数=2 取孔径为0.5m
H=(n-nF-np)HT+nFHF+H1+H2+nPHp+HD+HB
H:塔高 n：实际塔板数 nF:进料板数 nP :人孔数 HF：进料板间距
Hp：人孔板间距 HB：塔底空间高度 HD：塔顶空间高度 H1：封头高度 H2：裙座高度
H=(24-1-4)0.4+0.6+40.5+1.2+1.2+3+0.4=16.0m
设计结果一览表
项目
符号
单位
计算数据
精馏段
提留段
各段平均压强
Pm
kPa
107.32
111.19
各段平均温度
tm
℃
86.58
101.19
平均流量
气相
VS
m3/s
3.30
3.09
液相
LS
m3/s
0.0087
0.0171
实际塔板数
N
块
13
13
板间距
HT
m
0.40
0.40
塔的有效高度
Z
m
4.0
3.2
塔径
D
m
2.4
2.4
空塔气速
u
m/s
0.73
0.68
塔板液流形式

单流型
单流型

溢流管型式

弓形
弓形
堰长
lw
m
1.44
1.92
堰高
hw
m
0.038
0.031
溢流堰宽度
Wd
m
0.02976
0.5136
管底与受业盘距离
ho
m
0.024
0.023
板上清液层高度
hL
m
0.06
0.06
孔径
do
mm
5.0
5.0
孔间距
t
mm
15.0
15.0
孔数
n
个
19353
19353
开孔面积

m2
0.318
0.318
筛孔气速
uo
m/s
8.66
8.66
塔板压降
hP
m
0.062
0.063
液体在降液管中停留时间
τ
s
10.81
15.34
降液管内清液层高度
Hd
m
1.10
0.099
雾沫夹带
eV
kg液/kg气
0.010
0.019
负荷上限

雾沫夹带控制
雾沫夹带控制
负荷下限

漏液控制
漏液控制
液相最大负荷
LS·max
m3/s
0.00123
0.00164
液相最小负荷
LS·min
m3/s
0.02352
0.0656
操作弹性

19.12
40

12.设计体会
本次课程设计通过给定的生产操作工艺条件自行设计一套苯－甲苯物系的分离的塔板式连续精馏塔设备。通过这次课程设计我经历并学到了很多知识，熟悉了大量课程内容，懂得了许多做事方法，可谓是我从中受益匪浅，我想这也许就是这门课程的最初本意。
这次历时近两周的的课程设计使我们把平时所学的理论知识运用到实践中，使我们对书本上所学理论知识有了进一步的理解，也使我们自主学习了新的知识并在设计中加以应用。此次课程设计也给我们提供了很大的发挥空间，我们积极发挥主观能动性独立地去通过书籍、网络等各种途径查阅资料、查找数据和标准，确定设计方案。通过这次课程设计提高了我们的认识问题、分析问题、解决问题的能力。更重要的是，该课程设计需要我们充分发挥团队合作精神，组员之间紧密协作，相互配合的能力，才可能在有限的时间内设计出合理的设计方案。总之，这次课程设计不仅锻炼了我们应用所学知识来分析解决问题的能力，也提高了我们自学，检索资料和协作的技能。
最后，我还要感谢 老师在这次课程设计中给予我们的敦促和指导工作。对于设计中我们问题遇到的问题她给予了我们认真明确耐心的指导，这极大的鼓励了我们完成设计的决心，因此，我们要再次感谢班级同学给予的帮助

13.参考文献
[1]谭天恩，窦梅 等编《化工原理》（第四版）下册 化学工业出版社，2013.6
[2]陈敏恒 等编《化工原理》（第三版）下册 化学工业出版社，2006.5
[3]申迎华，郝晓刚 主编《化工原理课程设计》 化学工业出版社，2009.5
[4]吴俊，宋孝勇 等编《化工原理课程设计》 华东理工大学出版社，2011.7
[5]张建伟 主编《化工单元操作实验与设计》 天津大学出版社，2012.3
[6]匡国柱，史启才 主编《化工单元过程及设备课程设计》化学工业出版社，2002.1
[7]杨秀琴，徐绍红 主编《化工设计概论》 化学工业出版社，2010.10
[8]杨基和 蒋培华 主编《化工工程设计概论》 中国石化出版社，2005.7
[9]王国胜 主编《化工原理课程设计》（第三版） 大连理工大学出版社，2005.2